專利名稱：一種毫米波單片正交下變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及毫米波單片正交下變頻器，可直接應(yīng)用于雷達(dá)、通訊等
系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著微波通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通訊設(shè)備的要求也越來越高。體積小，重量輕， 可靠性高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)使得微波單片集成電路(MMIC)在微波通訊領(lǐng)域逐漸取代了波 導(dǎo)系統(tǒng)和混合集成電路。微波單片集成電路是用半導(dǎo)體工藝把有源器件、無源器件和微波傳 輸線、互連線等全部制作在一片砷化鎵或硅片上而構(gòu)成的集成電路。
下變頻器是超外差式微波集成電路接收系統(tǒng)中必不可少的部件。無論是微波通信、雷達(dá) 、遙控、遙感、還是偵察與電子對(duì)抗，以及許多微波測(cè)量系統(tǒng)，都必須將微波信號(hào)用混頻器 降到中低頻來進(jìn)行處理。至今各種微波系統(tǒng)中幾乎都采用了集成電路下變頻器，主要是因?yàn)?集成式混頻器體積小，性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，而且結(jié)構(gòu)靈活多樣，可以適合各種特 殊應(yīng)用。
由于毫米波的工作頻率高，在傳統(tǒng)的基波混頻方式中高穩(wěn)定本振源實(shí)現(xiàn)較為困難。而二 次諧波混頻器(Sub-harmonic Mixer)使用的本振頻率降低為基波頻率的二分之一，降低了本振 源的實(shí)現(xiàn)難度，減少了系統(tǒng)成本，因此在毫米波頻段二次諧波混頻器結(jié)構(gòu)被廣泛采用。
現(xiàn)有的一種正交二次諧波下變頻器芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示(見K.S.Ang， M. Chongcheawchamnan, D. Kpogla, P.R. Young, I.D. Robertson, D. Kim， M. Ju, and H. Seo, "Monolithic Ka-band even-harmonic quadrature resistive mixer for direct conversion receivers," in 及Wo Fre^rwewcy/她grafec/C7rcwto Dfg. ， Phoenix, AZ, May 2001, pp. 169-172.)，包 括采用威爾金森電橋作為等幅同相功分電路1、由馬卡德巴倫和兩個(gè)pHEMT三級(jí)管組成的偶 次諧波混頻單元2、采用由串聯(lián)高阻抗微帶線和并聯(lián)電容組成的低通濾波器作為中頻濾波電 路3和采用蘭格電橋作為等幅0°/90°功分電路4。 LO信號(hào)通過威爾金森電橋等幅同相分配到 兩個(gè)偶次諧波混頻單元；RF信號(hào)通過蘭格電橋分為等幅0。/90。兩路信號(hào)，分別加到兩個(gè)偶次 諧波混頻單元；在中頻口，采用由串聯(lián)高阻抗微帶線和并聯(lián)電容組成的低通濾波器為中頻濾 波電路濾出中頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了正交解調(diào)?；祛l單元采用阻性FET混頻，LO信號(hào)經(jīng)過馬卡德 巴倫變?yōu)榈确聪蛐盘?hào)，分別加到兩個(gè)PHEMT三級(jí)管柵極，RF信號(hào)等幅同相加到兩個(gè) TOEMT三級(jí)管漏極，這就實(shí)現(xiàn)了偶次諧波混頻。在30-40GHz工作頻帶內(nèi)變頻損耗大于15dB，具有較高的變頻損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提供一種基于PHMET工藝的毫米波單片正交下變器，以克服傳統(tǒng)正交下變器 中變頻損耗大的缺點(diǎn)，同時(shí)不增加芯片面積。
本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案為-
一種毫米波單片正交下變頻器，如圖2所示，包括等幅同相功分電路1、兩個(gè)偶次諧波 混頻單元2、兩個(gè)中頻濾波電路3、作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋4和低噪聲放大電 路5五個(gè)單元；低頻信號(hào)LO通過等幅同相功分電路1等幅同相地分配到兩個(gè)偶次諧波混頻 單元2;射頻信號(hào)RF首先通過低噪聲放大單元5放大，再通過作為等幅0°和90°功分電路的 蘭格電橋4分為等幅的0°和90°兩路信號(hào)，分別加到兩個(gè)偶次諧波混頻單元2;在中頻口， 采用中頻濾波電路3濾出所需的中頻正交信號(hào)。
本發(fā)明通過在射頻信號(hào)RF輸入口引入低噪聲放大單元，大大減小了整個(gè)單片正交下變 頻器的變頻損耗，同時(shí)不增加芯片面積。
所述低噪聲放大電路5采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，其增益可達(dá)10dB,可大 大減小單片正交下變頻器的變頻損耗。
本發(fā)明基于PHMET工藝，通過在現(xiàn)有的毫米波單片正交下變器中的射頻信號(hào)RF輸入口 引入低噪聲放大單元，大大減小了整個(gè)單片正交下變頻器的變頻損耗，同時(shí)不增加芯片面積。 同時(shí)采用Lange Coupler和Marchand Balun等寬帶電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功分，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)正 交下變頻器的寬帶特性。


圖1是現(xiàn)有的一種正交二次諧波下變頻器芯片結(jié)構(gòu)圖。 圖2是本發(fā)明提供的毫米波單片正交下變頻器的結(jié)構(gòu)圖。 圖3是中低噪聲放大單元5的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明提供的亳米波單片正交下變頻器的變頻損耗測(cè)試結(jié)果。 圖5是本發(fā)明提供的毫米波單片正交下變頻器的幅度和相位不平衡度測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
一種單片正交下變頻器，如圖2所示，包括采用輸入、輸出端口阻抗相匹配的T接頭網(wǎng) 絡(luò)的等幅同相功分電路l、由電容加載技術(shù)的馬卡德巴倫(見發(fā)明專利申請(qǐng)公開說明書"一種鏡頻抑制混頻器"，申請(qǐng)?zhí)?00510022225.8，公開號(hào)CN 1808893A)和兩個(gè)混頻管組成 的偶次諧波混頻單元2、采用一段A/2開路線實(shí)現(xiàn)的中頻濾波電路3、采用蘭格電橋的等幅
0790。功分電路4、低噪聲放大單元5; RF信號(hào)通過蘭格電橋分成0790。兩路信號(hào)分別加到兩 個(gè)偶次諧波混頻單元，而LO信號(hào)通過T接頭網(wǎng)絡(luò)等幅同相分配到兩個(gè)偶次諧波混頻單元； 混頻單元采用阻性FET混頻，LO信號(hào)經(jīng)過馬卡德巴倫變?yōu)榈确聪蛐盘?hào)，分別加到兩個(gè) PHEMT三級(jí)管柵極，RF信號(hào)等幅同相加到兩個(gè)PHEMT三級(jí)管漏極，這就實(shí)現(xiàn)了偶次諧波 混頻。
兩級(jí)低噪聲放大器芯片的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，有源器件選擇耗盡型PHEMT器件， 該器件的夾斷電壓VT為-0.9V，為實(shí)現(xiàn)較小的功耗，采用1.5V漏電壓供電，柵源電壓為-0.4V。 第一級(jí)和第二級(jí)放大器的PHEMT三級(jí)管柵寬分別取26x4nm和22x4)iim。由于所設(shè)計(jì)的低噪 聲放大器芯片帶寬較寬，匹配電路設(shè)計(jì)以中心頻率為基礎(chǔ)，以保證中心頻率附近有最好的電 路性能。采用微波電路仿真軟件Agilent-ADS對(duì)該放大器電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，
所述T接頭網(wǎng)絡(luò)的輸入端采用50歐姆微帶線，兩個(gè)輸出端采用IOO歐姆微帶線，以實(shí)現(xiàn) 輸入、輸出端口的阻抗匹配。
對(duì)于蘭格電橋，首先采用已有的公式計(jì)算出蘭格電橋的初始尺寸，再用電磁仿真軟件 HFSS對(duì)電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最后得到蘭格電橋在3040GHz的頻率范圍內(nèi)幅度不平衡度小 于0.5dB,相位不平衡度小于1度。
對(duì)于偶次諧波混頻單元，由于采用了二次諧波混頻，LO頻率相對(duì)較低，常用的馬卡德巴 倫的A/4耦合線長(zhǎng)度相對(duì)于芯片來說很長(zhǎng)，不利于在芯片上實(shí)現(xiàn)，因此采用集總參數(shù)元件加
載的辦法來縮小馬卡德巴倫尺寸，其偶合線長(zhǎng)度縮小為未加載馬卡德巴倫耦合線長(zhǎng)度的八分 之一，大大縮小了馬卡德巴倫面積。為保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，運(yùn)用三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)該電 容加載MarchandBalun進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果為幅度不平衡度小 于ldB，相位不平衡度小于1度。
阻性FET混頻一般需要在三極管柵極加一負(fù)電壓，以使三極管處于夾斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)開關(guān) 混頻，提高混頻效率。在本設(shè)計(jì)中，采用增強(qiáng)型pHEMT (或HEMT)管作為混頻管，在不 加?xùn)牌珘旱那闆r下，該管已處于截止?fàn)顟B(tài)，因此可以去掉柵偏置電路，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，縮小 芯片面積。
對(duì)于中頻濾波電路，在IF 口采用一段;i/2開路線實(shí)現(xiàn)對(duì)RF信號(hào)的抑制，防止RF信號(hào)
5從中頻口泄漏，iF信號(hào)從距開路點(diǎn);i/4處取出。
在RF為32 —38GHz，IF固定在60MHz，對(duì)該下變頻器進(jìn)行測(cè)試:RF輸入功率為一20dBm， LO輸入功率為12dBm;變頻損耗測(cè)試結(jié)果如圖6所示，在36.5GHz處獲得了最佳的變頻損 耗，約為10dB;兩路中頻正交信號(hào)的幅度和相位不平衡度如圖7所示，其幅度不平衡度小于 2.1dB,相位不平衡度小于15度。
權(quán)利要求
1、一種毫米波單片正交下變頻器，包括等幅同相功分電路(1)、兩個(gè)偶次諧波混頻單元(2)、兩個(gè)中頻濾波電路(3)、作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋(4)，其特征在于，韓包括一個(gè)低噪聲放大電路(5)；低頻信號(hào)LO通過等幅同相功分電路(1)等幅同相地分配到兩個(gè)偶次諧波混頻單元(2)；射頻信號(hào)RF首先通過低噪聲放大單元(5)放大，再通過作為等幅0°和90°功分電路的蘭格電橋(4)分為等幅的0°和90°兩路信號(hào)，分別加到兩個(gè)偶次諧波混頻單元(2)；在中頻口，采用中頻濾波電路(3)濾出所需的中頻正交信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的毫米波單片正交下變頻器，其特征在于，所述低噪聲放大電 路(5)采用兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種毫米波單片正交下變頻器，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及毫米波單片正交下變頻器。本發(fā)明基于PHMET工藝，通過在現(xiàn)有的毫米波單片正交下變器中的射頻信號(hào)RF輸入口引入低噪聲放大單元，大大減小了整個(gè)單片正交下變頻器的變頻損耗，同時(shí)不增加芯片面積。同時(shí)采用蘭格電橋(Lange Coupler)和馬卡德巴倫(Marchand Balun)等寬帶電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功分，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)正交下變頻器的寬帶特性。本發(fā)明可應(yīng)用于雷達(dá)、通訊等系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H03D7/16GK101510757SQ200910058520
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者濤 楊, 楊自強(qiáng) 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)